Vierquadrantensteller
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Ein Vierquadrantensteller besteht aus einer elektronischen H-Brückenschaltung aus vier Halbleiterschaltern, meist aus Transistoren, welche eine Gleichspannung in eine Wechselspannung variabler Frequenz und variabler Pulsbreite umwandeln kann. Vierquadrantensteller in der Energietechnik können auch Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen in beiden Richtungen ineinander umwandeln.
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[bearbeiten] Vierquadrantensteller für Gleichstrommotoren
Zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren verwendete Vierquadrantensteller werden zum Beschleunigen und Bremsen des Motors in beiden Drehrichtungen verwendet.
Zur Erklärung der Funktionsweise siehe nebenstehende Abbildung: Die Spannungsversorgung mit Gleichspannung der Brücke erfolgt über die Anschlüsse + (positive Spannung) und GND (Bezugspotential/Masse) Die zu treibende Last (ein Motor), befindet sich im Mittelzweig zwischen linken und rechten Brückenzweig und ist mit Mt gekennzeichnet. Die vier Schalter in Form von NMOS-Feldeffekttransistoren sind mit M1 bis M4 bezeichnet. Die Steuereingänge (Gates) der Feldeffekttransistoren sind entsprechend mit A bis D gekennzeichnet. Über diese Steuereingänge kann jeder Transistor durch eine hier nicht dargestellte Steuerelektronik ein- oder ausgeschaltet werden.
Durch die Steuerelektronik werden nun zwei diagonale Schalter geschlossen, beispielsweise M2 und M3 über die Steuereingänge B und C. Die anderen beiden Schalter müssen dabei offen bleiben, da ansonsten ein direkter Kurzschluss der Versorgungsspannung die Folge wäre. Der Strom fließt dann von rechts kommend nach links durch den Motor. Damit stellt sich eine bestimmte Drehrichtung des Motors ein. Werden die Schalter M2 und M3 geöffnet und danach die Schalter M1 und M4 geschlossen, fließt der Strom durch den Motor genau in der entgegengesetzten Richtung: Von links kommend nach rechts. Damit dreht sich der Gleichstrommotor in die entgegengesetzte Richtung.
Mittels einer extern erzeugten Pulsweitenmodulation (PWM) kann die mittlere Spannung (Effektivwert) in der Brücke reduziert werden (Chopperbetrieb). Dies hat im Beispiel des Motors zur Folge, dass dieser in seiner Drehgeschwindigkeit variiert werden kann. Leistungs-Feldeffekttransistoren besitzen eine parasitäre sogenannte body-Diode, die auch als Freilaufdiode benutzt werden kann. Bei Bipolartransistoren wird zu jedem Schalttransistor eine Freilaufdiode geschaltet, um auch hier die Selbstinduktionsspannungen abfangen zu können.
Beide Varianten können den Motor auch abbremsen, bei der ersten Variante geschieht dies durch Schließen der Schalter M2 und M4 oder M1 und M3. Im Chopperbetrieb kann auf diese Weise auch Bewegungsenergie des Motors in die Gleichspannungsversorgung zurückgespeist werden (Nutzbremsung).
Anstelle eines Motors können auch Peltierelemente betrieben werden - dann ist eine Temperaturregelung (Heizen und Kühlen) möglich.
Bei der Ansteuerung einer H-Brücke ist -wie oben erwähnt- zu beachten, dass sich die Einschaltzeiten der Transistoren, die direkt in Serie geschaltet sind (M1/M2 und M3/M4 in den Abbildungen), nicht überlappen dürfen, da sonst die Versorgungsspannungen direkt miteinander verbunden werden (engl. cross conduction). Auch bei kürzesten Überlappungen im µs-Bereich ergeben sich in den Versorgungsleitungen hohe Stromspitzen, die z. B. dazu führen können, dass die zulässige Rippelstrom-Belastung von Glättungs-Elektrolytkondensatoren überschritten wird. Integrierte Treiberschaltungen besitzen oft eine Einstell- oder Überwachungsfunktion für die Totzeiten zwischen den Einschaltzeiten der einzelnen Transistoren.
[bearbeiten] H-Brücken in Schaltnetzteilen
Wird statt eines Motors ein Transformator in der Schaltung eingesetzt, kann durch periodisches Umschalten ein Wechselstrom durch den Transformator erzeugt werden. Dieses Prinzip wird in Schaltnetzteilen größerer Leistung und in Schweiß-Invertern, aber auch in Wechselrichtern und Frequenzumrichtern verwendet.
Bei Schaltnetzteilen wird die variable effektive Wechselspannung im Transformator oft dadurch erzeugt, dass beide Halbbrücken mit konstanter Frequenz und symmetrischen Impulsen (duty cycle 50%), jedoch variabler Phasenlage zueinander arbeiten (Phase shifting Converter). Das hat Vorteile bei der Ansteuerung und verringert Schaltverluste.
[bearbeiten] Vierquandrantensteller in der Energietechnik
Vierquadrantensteller in der Energietechnik zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrische Leistung bei wechselnden Polaritäten in beiden Richtungen transportieren können. Damit kann zum Beispiel ein Antrieb mit einem Asynchronmotor realisiert werden, der beim Bremsen Energie ins Netz zurückspeist.
Umrichter ohne diese Fähigkeit verwandeln die Bremsenergie in Wärme.
Umrichter großer Leistung dienen auch der Kopplung von Energienetzen mit nicht synchronen oder abweichenden Frequenzen. Auch sie gestatten den Energiefluss in beiden Richtungen.
[bearbeiten] Siehe auch
- Die H-Brückenschaltung in Audioverstärkern wird Bridge Terminated Load (BTL) genannt; hier arbeiten zwei Halbbrücken-Gegentaktverstärker 180° phasenverschoben gegeneinander auf die Last.
- Messbrücken besitzen ebenfalls H-Brückenschaltungen, jedoch aus Widerständen oder Sensoren
- Gegentaktwandler, Inverter und Wechselrichter können ohne, mit einer Halbbrücke oder mit einer H-Brücke (Vollbrücke) aus Halbleiterschaltern realisiert werden.
- Thyristorsteller werden oft als H-Brücke mit 2 Dioden und 2 Thyristoren realisiert.en:H-bridge
